【NLP】BERT语言模型

BERT实际上是Transformer的encoder部分，其功能将输入的词向量通过self-attention机制得到输出向量。BERT的训练采用了**自监督（self-supervised learning）**方式，通过一些辅助任务，让BERT能够抽取出最佳的embedding，也就是说让BERT学到最能表征输入的参数。

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一、自监督学习（self-supervised learning）

实际上自监督学习也是一种无监督学习，因为没有标签去学习。但是自监督学习采用了将自身数据拆分为两部分的方式，去训练学习模型。

二、Bert

（一）Bert的两种训练方式

方法一：Masked LM（预测被mask掉的词）
随机mask掉一部分输入（如15%），然后通过BERT去算每个输入的embedding向量。得到embedding后，仅利用简单的分类模型（Linear Multi-class Claasifier） 去做这个词的分类，于是得到预测结果。如果要使简单的分类模型准确预测词，那么就需要BERT抽取出最能表示输入的embedding。

如何去mask input？一般采用两种方式，一种是随机将词换成[MASK]这样的未知表示词，另一种方式是随机将词换成另一个词。

方法二：Next Sentence Prediction（预测两个句子是否相接）
这里引入两种表示符号：[SEP] [CLS]，分别代表两个句子的分隔符和两个句子是否相接的二分类结果。

通常，上面两种训练方法是同时进行的，我们让BERT去解这两个任务，以训练出一个强大的BERT模型。当然也有人说方法二是无效的，出自如下这篇paper：

可能是方法二这种任务过于简单，学不出很有效的东西。于是有了ALBERT，这篇paper做的任务是SOP: Sentence order prediction。

（二）Bert的下游任务使用

由前面的训练方法可以了解到，Bert相对有效的训练方式是mask input and predict words，也就是“做填空题”。那么，Bert训练好之后，只能做填空的任务？？答案是否定的，Bert训练好之后（训练过程叫做“pre-train即预训练”），可以有能力去完成各种各样的downstream tasks（下游任务），这个过程也就是fine-tune（微调）。

例子一：输入一个句子，输出一个类别
比如sentiment analysis、document classification任务。
Linear Classifier参数随机初始化，需要从头学；而BERT只需要fine-tune就好。

采用了fine-tune的模型loss会下降更快，并且最终的loss更低。

一句题外话，这个过程算自监督学习还是半监督学习？
在预训练Bert模型的时候，实际上是自监督学习，在完成下游任务的时候，存在少量label，所以是半监督学习。那么Bert从训练到完成下游任务整个过程，实际上就是半监督学习的。

例子二：输入一个句子，输出每个词的类别（和输入等长的向量）
比如slot filling、POS tagging任务。
和例子一类似，但是这里是用很多linear classifier去学每个词的类别。

例子三：输入两个句子，输出一个类别
比如natural language inference (NLI) 任务（给定一个前提，模型去决定这个假设是否正确）。
这种模式和例子一比较类似。

例子四：Extraction-based Question Answering (QA) (E.g. SQuAD)
下面是对问答任务的描述，输入文章D和查询Q，输出两个整数s e，分别代表答案A的对应词在文章中的位置。

BERT将采用如下的方式去学到两个位置整数s和e。
首先是输入Q和D，他们用一个分隔符分开。通过BERT后得到D的embedding表示，然后分别和橙色的向量进行dot product，然后softmax后得到概率值，取最大概率对应的词作为s。

用蓝色的向量进行dot product，然后通过softmax得到概率，取概率最大对应的词作为e。

如果s和e矛盾了怎么办，那么输出的结果应该是“无解”。

（三）训练Bert的挑战

训练的数据量超过3 billions of words（3000倍的哈利波特全集）。如果是fine-tune来做下游任务还能够接受，但是如果要从头训练Bert模型，非常耗时！

（四）Pre-training a seq2seq model

前面的Bert都没有seq2seq，Bert只有encoder部分。现在加上一个decoder在encoder的后面，通过cross-attention连接在一起。将输入向量“扰动弄坏”，然后通过decoder去预测“扰动弄坏”之前的输入向量。训练这个过程，最终得到seq2seq的模型。

下面是把原始输入“弄坏”的一些方法。

（五）Bert为什么有效

通过Bert模型，可以得到每个输入向量的embedding表示。具有相似意义的词的embedding，也会相似，可视化出来就是聚集在一起。


下面是embedding的cosine相似度热力图（黄色代表更高的相似度），可以看到吃苹果中的“果”和苹果电脑中的“果”，是不一样的。

Bert为何有效，我们mask输入后，仅通过上下文的分析去得到这个未知的词，我认为这种方式就是理解句子的过程。在之前就有这样的思想，做word embedding的时候CBOW方法就是挖空一些词去预测，从而得到很好的embedding。

值得一提的是，Bert去做embedding是contextualized word embedding，同样一个词放在不同的语境中能有不同的embedding。

有人做过看起来比较奇怪是实验，比如DNA序列的分类问题，DNA可以用A T G C来表示，作者将这几个字符改为单词，然后强行做分类任务。

最后发现，用Bert做这种看起来奇怪的实验效果较好。

三、Multi-lingual BERT

拿不同的语言去训练，就是多语言的Bert模型。Multi-lingual BERT会在104种语言上

题外话，我在学习这部分的时候，真的感觉NLP非常强大，非常神器！看下面的实验结果，用多种语言去pre-train（相当于只会填空题），用英文去fine-tune，然后用中文去test（相当于复习了英语，然后裸考中文），也能有效！用中英文去fine-tune，效果更佳。

四、Cross-lingual Alignment

通过训练不同语言的模型，同一意思但是不同语言的embedding也能够相近。

这里存在一个奇怪的点——模型是输入英文就做英文任务，输入中文就做中文任务，不同语言是相互独立的，并没有出现在英文文章的空格中填入中文进去的情况。这代表，模型能够学习到不同语言之间的信息——不同语言中同一含义的词虽然有相近的embedding，但是！不同语言终究还是不一样的。
那么不同语言之间的差距藏在哪里呢？如下图所，将中文和英文的embedding分别求平均，然后求得他们之间的差距。在用模型做英文训练时，给输出的embedding后面加上这个差距，竟然就能够得到中文的表示。